Rheinmetall's 20 kW laser op Boxer 8x8 gepresenteerd op DSEI 2015
De technologische vooruitgang heeft nu een mijlpaal bereikt wanneer op voertuigen gemonteerde laserwapensystemen een realiteit zijn geworden. Laten we eens kijken hoe deze gevechtsverbeteringssystemen zich ontwikkelen
Wapens op voertuigen zijn een goedkope tool voor gevechtsverbetering die wordt gebruikt door zowel reguliere legers als onregelmatige "asymmetrische" formaties die betrokken zijn bij bijna elk conflict in de wereld.
Tot voor kort waren de opties voor het installeren van wapens op gevechtsvoertuigen beperkt tot machinegeweren en artilleriesystemen van verschillende vormen. De situatie hier begon echter te veranderen met de komst van lasersystemen of gerichte energiesystemen met voldoende vermogen om kleine vliegtuigen en munitie in de lucht uit te branden.
De plaatsing van omvangrijke energieopslageenheden voor dergelijke systemen is altijd een serieus probleem geweest, maar recente ontwikkelingen hebben ertoe bijgedragen dat lasers zijn verkleind tot een formaat dat het mogelijk maakt ze zelfs in een grote jeep te installeren.
Technologische revolutie
In de jaren negentig vond een technologische revolutie plaats in glasvezelcommunicatie, waardoor de ontwikkeling van krachtige solid-state lasers werd versneld, die een decennium later toepassingen vonden in industriële verwerking zoals branding, snijden, lassen en smelten.
Deze lasers waren uiterst effectief op korte afstand, maar het was een kwestie van tijd voor de industrie om een manier te vinden om deze technologie te schalen en futuristische wapens te maken die doelen op een afstand van enkele honderden of zelfs duizenden meters konden snijden en smelten.
De Amerikaanse defensiegigant Lockheed Martin deed precies dat. Voortbouwend op nieuwe technologie voor de productie van halfgeleiders, zonnecellen en het lassen van auto's, heeft het bedrijf een militaire lasermachine ontwikkeld die honderden keren krachtiger is dan zijn commerciële voorgangers.
Robert Afzal, senior onderzoeker bij dit bedrijf, zegt: “Er vindt tegenwoordig een echte revolutie plaats op dit gebied, voorbereid door jarenlang gigantisch werk van onderzoekers. En we geloven dat de lasertechnologie eindelijk klaar is in die zin dat we nu in staat zijn om een laser te creëren die krachtig genoeg en klein genoeg is om in tactische voertuigen te passen.”
“Vroegere lasers waren gewoon te groot - het waren hele stations. Maar met de komst van hoogrenderende fiberlasertechnologie met een hoogwaardige straal, hebben we eindelijk het laatste puzzelstukje dat bij deze machines past."
De civiele industrie gebruikte lasers in de orde van grootte van enkele kilowatts, maar Afzal merkte op dat militaire lasers een vermogen van 10-100 kW zouden moeten hebben.
"We hebben technologie ontwikkeld waarmee we de kracht van fiberlasers kunnen schalen, niet alleen door een grotere fiberlaser te bouwen, maar door verschillende modules van kilowattklasse te combineren om het vermogen te bereiken dat het leger nodig heeft."
Hij zei dat de laser is gebaseerd op bundelcombinatie, een proces dat meerdere lasermodules combineert om één krachtige, hoogwaardige bundel te vormen die meer efficiëntie en dodelijkheid oplevert dan een paar individuele 10kW-lasers.
Witte gecollimeerde straal
Hij beschreef het proces van het passeren van een lichtstraal door een prisma, brekend in vele gekleurde stromen, legde hij uit: "Als je meerdere laserstralen hebt, elk met een iets andere kleur, die dit prisma precies in de juiste hoek binnenkomen, zullen ze allemaal naar buiten komen van dit prisma gesuperponeerd en zal een zogenaamde witte gecollimeerde straal vormen."
"Dit is in wezen wat we doen, maar in plaats van een prisma gebruiken we een ander optisch element, een diffractierooster genaamd, dat dezelfde functie vervult. Dat wil zeggen, we bouwen lasermodules met een hoog vermogen, elk op een iets andere golflengte, combineren ze vervolgens, reflecterend op het diffractierooster, en aan de uitgang krijgen we één krachtige laserstraal."
Afzal zei dat een dergelijke oplossing in feite een multiplextechnologie met golflengteverdeling uit de telecommunicatiesector is, gecombineerd met krachtige fiberlasers van industriële productie.
"De fiberlaser is de meest efficiënte en krachtige laser die ooit is ontwikkeld", zegt hij. - Dat wil zeggen, we hebben het over een volledig elektrisch rendement van meer dan 30%, waar we 10-15 jaar geleden niet eens van hadden gedroomd, toen we een rendement van 15-18% hadden. Dit heeft veel te maken met stroom en koeling, dus deze systemen kunnen nu kleiner worden. De laser wordt nu niet geschaald door een grote laser te bouwen, maar door nieuwe modules toe te voegen."
Het Amerikaanse leger heeft onlangs Lockheed Martin aangeworven om een krachtig laserwapensysteem te maken op basis van de ATHENA-installatie (Advanced Test High Energy Asset), die op een van de lichte tactische voertuigen van het bedrijf kan worden gemonteerd.
Tijdens de tests van vorig jaar sloeg een prototype van een fiberlaser van 30 kW met succes de motor van een kleine pick-up uit, waardoor de grille in seconden van een mijl afstand verbrandde. Om tijdens de test echte bedrijfsomstandigheden te simuleren, werd de pick-up op het platform geïnstalleerd met draaiende motor en ingeschakelde versnelling.
Nieuwe generatie
In oktober 2015 kondigde Lockheed aan dat het was begonnen met de productie van een nieuwe generatie krachtige modulaire lasers, waarvan de eerste met een capaciteit van 60 kW zal worden geïnstalleerd op een tactisch voertuig van het Amerikaanse leger.
Afzal zei dat het leger een op een voertuig gemonteerde laser wil inzetten voor luchtafweermissies, het tegengaan van raketten, artilleriegranaten en mortiermunitie en UAV's. "We kijken naar het tactische niveau van defensie in plaats van raketverdediging in strategische zin."
Volgens Lockheed maakt de modulaire oplossing het mogelijk om het vermogen aan te passen aan de behoeften van een specifieke taak en dreiging. Het leger heeft de mogelijkheid om meer modules toe te voegen en het vermogen te verhogen van 60 kW naar 120 kW.
Afzal vervolgt: “De architectuur schaalt naar jouw wensen: wil je 30 kW, 50 kW of 100 kW? Het is als servermodules in een serverrek. Wij zijn van mening dat dit een flexibele architectuur is - beter geschikt voor grootschalige productie. Het stelt je in staat om een module te hebben die je keer op keer opnieuw kunt maken, waardoor je het systeem naar wens kunt aanpassen."
“Het systeem past zich aan aan elk voertuig dat u vandaag de dag wilt gebruiken, en daarom is deze technologie zo indrukwekkend omdat het de flexibiliteit van de architectuur mogelijk maakt om zich aan te passen aan verschillende voertuigen zonder al te veel te hoeven aanpassen aan wat u besluit te hebben. Hierdoor is het mogelijk om een systeem te krijgen om bijvoorbeeld zowel een gevechtsbrigade als een geavanceerde operationele basis te ondersteunen."
Het systeem maakt gebruik van commerciële fiberlasers die zijn geassembleerd in zeer reproduceerbare modules, waardoor het zeer betaalbaar is. Het gebruik van meerdere fiberlasermodules vermindert ook de kans op kleine storingen, evenals de kosten en omvang van onderhoud en reparatie.
Op de vraag wanneer een gevechtslaser die op een tactisch voertuig is geïnstalleerd op het slagveld zou kunnen verschijnen, stelde Afzal een geschatte tijdsperiode voor: "We zijn van plan onze laser eind 2016 te leveren. Waarna het leger nog even zijn werk doet, en dan zien we wel."
De aantrekkingskracht van de laser
Er zijn verschillende kenmerken van tactisch gerichte energiewapens die ze zeer aantrekkelijk maken voor moderne strijdkrachten, waaronder de lage kosten van "munitie" en hun snelheid, nauwkeurigheid en gebruiksgemak.
"Allereerst zijn dit zeer nauwkeurige wapens met potentieel zeer lage nevenschade, wat belangrijk is", voegde Afzal eraan toe. "Met de snelheid van het licht kun je een doelwit onmiddellijk bestralen, en daarom kun je zeer manoeuvreerbare doelen raken, dat wil zeggen, je kunt de straal op een doelwit houden dat kinetische munitie soms niet aankan."
Misschien wel het belangrijkste voordeel zijn de lage kosten van één effectieve "shot".
"Op dit moment wil je geen dure en krachtige defensieve kinetische wapens uitgeven aan goedkope meervoudige bedreigingen," vervolgde Afzal. - Laserwapens beschouwen we als een aanvulling op kinetische systemen. We gaan ervan uit dat je het lasersysteem gaat gebruiken tegen een groot aantal lage intensiteit lage intensiteit dreigingen, waardoor je kinetische magazijn overblijft voor de aanvallende complexe, gepantserde, lange afstand dreigingen."
Afzal suggereert dat het laserwapen kan worden ingezet in de gevechtsruimte in het operationele controlesensornetwerk, dat de initiële doelaanduiding ervoor zal geven.
“Allereerst moet een bepaald systeem informeren over het verschijnen van een dreiging, en vervolgens beslist de operator van de commando- en controledienst welke tegenmaatregel hij moet gebruiken, bepaalt het doelwit, werpt er een laser op en vergrendelt het doelwit volgens de radargegevens, waarna de operator, die het doel op de monitor ziet, besluit om te brengen of de laser in actie is”.
“Veel problemen hebben zich op dit gebied opgehoopt, aangezien het leger over de hele wereld decennia geleden al over laserwapens heeft gefantaseerd, en de vraag is waarom we ze vandaag niet hebben. Ik denk dat de belangrijkste reden is dat we niet de technologie hadden om een laserwapencomponent te maken die klein genoeg en krachtig genoeg was om op tactische voertuigen te worden geplaatst.”
Laatste fasen
Ondertussen heeft Boeing ook enkele jaren gewerkt aan een High Energy Laser Mobile Demonstrator (HEL MD) voor het Amerikaanse leger, die zich momenteel in de laatste ontwikkelingsfase bevindt. Gemonteerd op een vrachtwagenchassis, richt een laser een krachtige straal op bedreigingen waarmee het leger waarschijnlijk te maken krijgt, en fungeert als een onderscheppingssysteem voor ongeleide raketten, artilleriegranaten, mijnen en UAV's. Dit systeem heeft tot nu toe een zodanige nauwkeurigheid bereikt dat het sensoren op drones kan vernietigen, zoals werd aangetoond tijdens de demonstratie van een 10 kW-laser op de White Sands Proving Ground in 2013 en opnieuw op Eglin AFB in 2014.
Volgens militaire specificaties zal het complete HEL MD-systeem bestaan uit een krachtige, efficiënte laser en zware subsystemen die op een militair voertuig worden geïnstalleerd. Het systeem zal in staat zijn, samen met andere vernietigingsmiddelen, de bescherming van bepaalde zones uit te voeren, of het nu gaat om voorste bases, marinefaciliteiten, luchtbases en andere constructies.
Boeing ontwikkelt verschillende systemen om te integreren in een definitief prototype dat zal worden geïnstalleerd op een aangepaste Heavy Expanded Mobility Tactical Truck (HEMTT).
Deze subsystemen omvatten een laser; straal controle; stroomvoorziening; warmtewisselingscontrolesysteem en gevechtscontrolesysteem.
Het Space Defense Command van het Amerikaanse leger ontwikkelt de HEL MD in fasen. Het laser-, stroomvoorziening- en warmtewisselaarsysteem wordt de komende jaren verbeterd met als doel het vermogen en de technologische ontwikkeling van de subsystemen te vergroten.
Naarmate de technologie verbetert, zal het modulaire karakter van de componenten de introductie van krachtigere lasers mogelijk maken, geïntegreerd met verbeterde targeting- en trackingmogelijkheden.
Volle cirkel
Volgens Boeing biedt de HEL MD-straalgeleider "all-sky" dekking terwijl deze 360 ° draait en boven het dak van het voertuig wordt geheven om doelen over de horizon te vangen. Continue vernietiging van doelen wordt vereenvoudigd door warmtewisselings- en stroomvoorzieningssystemen.
Het hele systeem draait op diesel; dat wil zeggen, alles wat nodig is om de "munitie" van het wapen aan te vullen, is snel bijtanken. De lithium-ionbatterijen van het HEL MD-systeem worden opgeladen door een 60 kW-dieselgenerator, dus zolang het leger brandstof heeft, kan het voor onbepaalde tijd functioneren.
Het systeem wordt bestuurd door de autobestuurder en de exploitant van de fabriek met behulp van een laptop en een settopbox van het type Xbox. Het huidige demomodel maakt gebruik van een 10 kW klasse laser. In de nabije toekomst zal de laser echter worden geïnstalleerd in de klasse van 50 kW en over nog eens twee jaar zal het vermogen toenemen tot 100 kW.
Boeing ontwikkelde eerder een kleinere laserinstallatie voor het Amerikaanse leger en installeerde deze op de AN/TWQ-1 Avenger pantserwagen, de Boeing Laser Avenger genaamd. Een vaste-stoflaser van 1 kW wordt gebruikt om UAV's te bestrijden en geïmproviseerde explosieven (IED's) te neutraliseren. Het systeem werkt als volgt: het is gericht op een IED of niet-ontplofte munitie aan de kant van de weg met een geleidelijke toename van het vermogen van de laserstraal totdat het explosief opbrandt tijdens het proces van ontploffing met laag vermogen. Tijdens tests in 2009 heeft het Laser Avenger-systeem met succes 50 van dergelijke apparaten vernietigd, vergelijkbaar met die in Irak en Afghanistan. Daarnaast werd nog een demonstratie van de werking van dit systeem uitgevoerd, waarbij het verschillende kleine drones vernietigde.
Boeing Laser Avenger
Driejarenplan
Volgens het Duitse defensiebedrijf Rheinmetall zal het over drie jaar zijn eigen high-power High Energy Laser (HEL), die op het voertuig is geïnstalleerd, op de markt brengen.
Na een reeks tests die in 2013 in Zwitserland werden uitgevoerd, werkte het bedrijf aan de uitbreiding van de softwaremogelijkheden van de beamforming-modules en de technologie van de laser zelf, waarna het voorspelde dat zijn lasersysteem voor de bestrijding van gronddoelen en voor gronddoelen luchtverdediging kan in 2018 al klaar zijn.
Er werden drie machines geselecteerd om als mobiele HEL-platforms te werken. Samen met het Boxer-pantservoertuig demonstreerden de gemodificeerde M113 gepantserde personnel carrier met een 1 kW laser (Mobile HEL Effector Track V) en de Tatra 8x8 truck met twee 10 kW lasers (Mobile HEL Effector Wheel XX) hun kenmerken.
Alle drie de laserplatforms
De 20 kW-laser die op het GTK Boxer-pantservoertuig is geïnstalleerd, onderscheidt zich door de HEL-executivemodule, waarvan het voordeel ligt in het modulaire ontwerpprincipe. Rheinmetall zegt dat de Boxer nog geen laser heeft gehad met een vermogen van meer dan 20 kW, hoewel het combineren van meerdere lasers met behulp van bundeluitlijningstechnologie het totale vermogen zou kunnen vergroten. Bovendien kunnen meerdere Boxer HEL-units worden gecombineerd tot een systeem met een effectief vermogen van meer dan 100 kW.
Tijdens demotests die in 2013 werden uitgevoerd, bevestigde de bemanning van het Boxer-voertuig de mogelijkheden van de HEL-laserinstallatie, waarbij het zware machinegeweer dat op de pick-up was geïnstalleerd, werd uitgeschakeld zonder de machineschutter zelf te riskeren (foto hieronder). Bovendien heeft de installatie op een Tatra Mobile Effector Wheel XX-truck, in samenwerking met het Skyguard-radarstation, alle stadia van neutralisatie van een UAV van het helikoptertype gedemonstreerd.
De neutralisatie van helihavens werd uitgevoerd met behulp van SkyGuard-radar, die het doelwit detecteerde en identificeerde. Verder ontving de HEL Boxer-installatie gegevens van hem, voerde ruwe en nauwkeurige tracking uit en veroverde vervolgens het doelwit voor vernietiging.
Het HEL MD-lasersysteem van Boeing staat onder contract met het Amerikaanse Rocket and Space Defense Command
marien onderzoek
De Research and Development Administration (ONR) van de Amerikaanse marine test zijn eigen op een voertuig gemonteerde solid-state gevechtslaser, genaamd Ground-Based Air Defense Directed Energy On-the-Move (GBAD OTM). In feite is het systeem een krachtige laser gemonteerd op een tactisch voertuig en ontworpen om expeditietroepen te beschermen tegen vijandelijke UAV's.
Gezien de toenemende proliferatie van onbemande luchtsystemen, suggereert het US Marine Corps dat gevechtseenheden in toenemende mate zullen worden gedwongen zich te verdedigen tegen tegenstanders die toezicht houden en verkenningen vanuit de lucht uitvoeren.
Het GBAD OTM-systeem is ontworpen voor installatie op lichte tactische voertuigen zoals de HMMWV en JLTV (Joint Light Tactical Vehicle). Volgens de ONR is het GBAD OTM-programma gericht op het creëren van een alternatief voor traditionele systemen die de mariniers kunnen weerhouden van vijandelijke verkenningen en drones kunnen aanvallen. Onderdelen van het GBAD OTM-systeem, waaronder de laser, het straalrichtapparaat, de batterijen, de radar, het koel- en controlesysteem, worden gezamenlijk ontwikkeld door ONR, het Dahlgren Surface Weapons Development Center van de marine en verschillende industriële ondernemingen.
Het doel van het programma is om al deze componenten te combineren tot een enkel complex, dat klein genoeg is om op lichte tactische gepantserde voertuigen te worden geïnstalleerd, maar krachtig genoeg om de beoogde bedreigingen het hoofd te bieden.
Brede toepassing:
Tijdens de Sea-Air-Space 2015-conferentie in Washington legde Lee Mastroiani, hoofd programma's voor de bescherming van troepen bij de ONR, in een gesprek met verslaggevers uit dat lasers effectief bedreigingen kunnen vernietigen over het hele spectrum van luchtverdediging, inclusief raketten, artilleriegranaten, mortiermunitie, UAV's, transportmiddelen en IED's. "Eerst en vooral is het GBAD-systeem ontworpen om kleine UAV's te bestrijden die een bedreiging vormen voor onze gevechtseenheden."
“Het GBAD OTM-systeem bestaat uit drie hoofdcomponenten: een 3-assig radarvolgstation dat een dreiging identificeert; een commando- en controle-eenheid die identificeert en beslist hoe de dreiging bij het gebruik van raketten of artilleriewapens wordt geneutraliseerd; en het eigenlijke platform met een laser."
Mastroiani merkte op dat in het geval van het GBAD-programma de nadruk ligt op de ontwikkeling van een krachtige laser voor de vernietiging van UAV's die op een licht gevechtsvoertuig zijn geïnstalleerd.
“Er is een belangrijk argument voor een dergelijke beslissing, namelijk dat dergelijke dreigingen goedkoop zijn, dat wil zeggen dat het gebruik van dure raketten in dit geval niet past in onze visie op het probleem. Met een laser die een cent per puls kost, kun je dus veilig goedkope dreigingen bestrijden met een goedkoop wapensysteem. Over het algemeen is de essentie van het programma om zelfs onderweg tegen dergelijke doelen te vechten om de gevechtsoperaties van het Korps Mariniers te ondersteunen.
Volgens Mastroiani gebruikte de ONR verschillende componenten van de LaWS (Laser Weapon System) demonstratie-installatie die de Amerikaanse marine aan boord van het Ponce-schip in de Perzische Golf had geïnstalleerd.
"We gebruiken het principe van voorspelbare vermijding, sommige van de belangrijkste technologieën en software, maar er zijn ook veel andere problemen", voegde Mastroiani eraan toe. - Wat betreft het USS Ponce-schip, er is voldoende ruimte en al het andere, terwijl ik veel problemen heb met betrekking tot gewicht, grootte en stroomverbruik wanneer het systeem op een licht tactisch voertuig moet worden geïnstalleerd. Ik heb een straalgeleidingsapparaat, stroomvoorziening, koelsystemen, geleiding en doelaanduiding, en dit alles zou in overleg en zonder "pluggen" moeten werken, dus in dit aparte project moeten veel verschillende problemen worden opgelost."
Volgens het ONR werden enkele componenten van het systeem gebruikt in tests om drones van verschillende groottes te detecteren en te volgen, en het hele systeem werd getest met een 10kW-laser, wat een tussenoplossing is bij het overstappen op een 30kW-laser. Het is de bedoeling dat in 2016 veldtests van het 30 kW-systeem plaatsvinden, wanneer het programma zal beginnen met uitgebreide tests met als doel de overgang van eenvoudige detectie en tracking naar afvuren vanuit lichte militaire voertuigen.